Введение к работе
Актуальность темы. Беспозвоночные-хортобионты - один из классических объектов синэкологических исследований (Догель, 1924; Владимирский, 1926; Баскина, Фридман, 1928; Беклемишев, 1934). В последней четверти XX века изучение населения беспозвоночных травостоя приняло черты отдельного научного направления (Чернов, Руденская, 1975), которое предложено называть хортозоологией (Лагунов, 1997). Ввиду многокомпонентности состава и его значительной лабильности во времени, хортобионтный комплекс демонстрирует широкий спектр реакций на внешние воздействия (Siemann, 1998; Reid, Hochuli, 2007). В то же время, изменение населения хортобионтов под действием техногенного загрязнения среды изучено недостаточно; большинство работ касается реакции отдельных групп (Tarwid, 1987; Rabitsch, 1996; Hoffman et al., 2002), не рассматривая все население в комплексе. Одним из основных источников химического загрязнения на Среднем Урале является металлургическое производство и, в частности, Среднеуральский медеплавильный завод (СУМЗ), эмитирующий окислы серы и тяжелые металлы. Выявление механизмов реакции беспозвоночных травостоя на хронические токсические нагрузки, наряду с изучением всего многообразия экологических эффектов, позволит дополнить представления о современных процессах трансформации биоты, вызванных изменением среды обитания живых организмов.
Цели и задачи исследования. Цель работы - изучение структуры и динамики населения беспозвоночных-хортобионтов луговых сообществ в условиях длительного загрязнения среды выбросами медеплавильного производства на Среднем Урале. Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
Выявить таксономическую и трофическую структуру населения беспозвоночных-хортобионтов и проследить их изменение в градиенте химического загрязнения;
Описать изменение видового разнообразия в градиенте загрязнения на примере нескольких модельных таксонов (тли, клопы, паукообразные, моллюски);
Исследовать особенности суточной динамики, сезонной и межгодовой изменчивости населения беспозвоночных-хортобионтов в разных зонах техногенной нагрузки;
Рассмотреть возможные механизмы реакции населения беспозвоночных травостоя на токсическую нагрузку.
Научная новизна, теоретическая и практическая значимость работы. Впервые исследованы особенности суточной динамики обилия беспозвоночных-хортобионтов в условиях промышленного загрязнения. Осуществлен комплексный анализ реакции всех групп беспозвоночных, составляющих животное население луговой растительности. Впервые проведена оценка соотношения компонентов пространственной и
временной изменчивости обилия беспозвоночных-хортобионтов в разных зонах техногенной нагрузки. Впервые дана сравнительная оценка влияния промышленного загрязнения на структуру сообществ беспозвоночных травостоя на видовом уровне и уровне крупных таксонов (ранга семейства и выше). Полученные результаты важны для изучения закономерностей функционирования трофических цепей, а также оценки устойчивости сообществ беспозвоночных к сильным внешним воздействиям. Результаты также позволяют решить ряд методических вопросов организации экологического мониторинга сообществ беспозвоночных, и рассматривать некоторые аспекты регуляции численности фитофагов в луговых экосистемах.
Основные положения, выносимые на защиту.
При приближении к медеплавильному заводу общее обилие беспозвоночных-хортобионтов увеличивается, главным образом, за счет сосущих фитофагов.
Ход суточной динамики населения хортобионтов, структура на уровне крупных таксонов и трофических групп в градиенте загрязнения относительно стабильны, тогда как видовая структура радикально меняется.
Наиболее вероятной причиной изменений в населении хортобионтов можно считать деградацию луговой растительности, ведущую к «аридизации» наиболее загрязненных территорий.
Апробация работы. Результаты исследований были представлены на Всероссийских конференциях молодых ученых в ИЭРиЖ УрО РАН (Екатеринбург, 2006, 2007, 2008), Всероссийской молодежной конференции «Экология в меняющемся мире: взгляд научной молодежи» (Улан-Удэ, 2007), XIII съезде Русского энтомологического общества (Краснодар, 2007), V Международной научно-практической конференции (Семипалатинск, 2008).
Публикации. По теме исследования опубликовано 9 печатных работ, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Личный вклад автора. Автором отобраны пробы беспозвоночных и растений с помощью биоценометра в 2006, 2007, 2008 гг., а также осуществлен сбор материала для проведения анализа содержания тяжелых металлов, проведены инструментальные измерения температуры воздуха на пробных площадях. Автор выполнил камеральную и статистическую обработку всего собранного лично материала, а также предоставленных проб укосов сачком, собранных в 2004 г. М.Е. Гребенниковым, А.И. Ермаковым и М.П. Золотаревым. Автор реализовал определение большинства беспозвоночных до уровня семейства, насекомых отр. Hemiptera и части отр. Coleop-tera - до видового уровня. Определение видовой принадлежности других групп беспозвоночных и травянистых растений выполнено специалистами.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов, списка литературы (172 источника, из них 89 на иностранных языках) и 9 приложений. Объем работы составил 235 страниц, основной текст диссертации содержит 63 таблицы и 12 рисунков.
ГЛАВА 1. НАСЕЛЕНИЕ БЕСПОЗВОНОЧНЫХ ТРАВОСТОЯ В ЕСТЕСТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ И ПОД ДЕЙСТВИЕМ ЗАГРЯЗНЕНИЯ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)
Рассмотрены этапы формирования представлений о животном населении беспо-звоночных-хортобионтов, обсуждаются их особенности по сравнению с населением других ярусов. Сделан обзор исследований реакции на техногенное загрязнение различных групп беспозвоночных, представленных в населении травянистого яруса. Особое внимание уделено работам, рассматривающим воздействие окислов серы и тяжелых металлов. Сделано заключение о недостаточной изученности реакции хор-тобионтов на промышленное загрязнение.
Работа выполнена в районе Среднеуральского медеплавильного завода (СУМЗ), расположенного на окраине г. Ревды Свердловской обл. Основные ингредиенты выбросов - S02 и тяжелые металлы (Си, Zn, Cd и Pb). Общий объем эмиссии в конце 1980-х годов составлял более 140 тыс. т/год, к середине 2000-х - снизился до менее 30 тыс. т/год. Техногенной трансформации подверглись все компоненты природных экосистем (Воробейчик и др., 1994). Пробные площади расположены в импактной (1 км к западу от завода), буферной (4 км) и фоновой (30 км) зонах загрязнения в пониженных элементах рельефа на вторичных суходольных лугах, сформировавшихся на лесных полянах размером 300 - 5000 м2 в результате вырубки леса более 50 лет назад; почвы дерново-подзолистые. Луга в разных зонах нагрузки сильно различаются по флористическому составу: в фоновой зоне луга разнотравные, растительный покров сомкнутый, многоярусный, с развитой архитектурой из ветвящихся и переплетающихся травянистых растений; в буферной - луга разнотравно-злаковые, характеристики растительного покрова сходны с фоновыми показателями; в импактной - луга злаковые (абсолютный доминант — полевица тонкая), растительный покров сильно разрежен, ярусность не выражена. История хозяйственного использования лугов в разных зонах нагрузки различается (Нестерков, Воробейчик, 2009), но на момент проведения основного блока исследований выпас скота и сенокос на всех участках отсутствовали.
